WiMAX CPE 收發(fā)器之基站應(yīng)用

與分立設(shè)計(jì)相比，單芯片WiMAX收發(fā)器能夠顯著節(jié)省成本和空間，但一直以來，嚴(yán)格的發(fā)射性能要求使其無法用于基站設(shè)計(jì)。最近，一些新型器件極大地改善了發(fā)射信噪比(SNR)性能，因而適合從毫微微蜂窩到微蜂窩的各類應(yīng)用。

基站蜂窩類型和典型要求
根據(jù)最大輸出功率和覆蓋范圍，無線行業(yè)將基站分為若干寬泛、重疊的類別，如表1所示。下面的設(shè)計(jì)示例將使用功率輸出估計(jì)值。價格和設(shè)備尺寸對于所有類型的蜂窩都非常重要。對于毫微微蜂窩基站，只有低成本和小尺寸型才能在市場上生存；對于微微蜂窩和宏蜂窩基站，如果其價格和尺寸優(yōu)于競爭產(chǎn)品，將擁有獨(dú)特的市場優(yōu)勢。單芯片收發(fā)器有助于降低價格和減小尺寸，但只有當(dāng)基站滿足其性能要求時，這些優(yōu)勢才能顯現(xiàn)出來。

發(fā)射信號鏈架構(gòu)
圖1所示為一個用于無線通信的典型直接上變頻發(fā)射信號路徑的簡化框圖，其中的虛框部分最近已被集成到WiMAX CPE收發(fā)器中?；景l(fā)射機(jī)，特別是那些設(shè)計(jì)用于較大小區(qū)的發(fā)射機(jī)，通常使用分立器件來實(shí)現(xiàn)高線性度和低噪聲。

圖1 發(fā)射信號鏈框圖

然而，如圖1所示，單芯片收發(fā)器具有明顯的成本和空間優(yōu)勢。這些CPE收發(fā)器將多個功能模塊，包括數(shù)字接口、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、模擬濾波器、增益級、混頻器和前置驅(qū)動器等，組合構(gòu)成一個混合信號集成電路。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字接口的集成使得基帶處理器(BBP)可以是純數(shù)字式，從而能夠利用先進(jìn)的細(xì)線CMOS工藝來降低成本、功耗和縮減尺寸。有些集成收發(fā)器還整合兩個直接下變頻接收機(jī)，使總體空間和成本進(jìn)一步縮小降低。

發(fā)射功率和噪聲
對于特定應(yīng)用，將收發(fā)器與分立設(shè)計(jì)相比較時，發(fā)射機(jī)噪聲是一個關(guān)鍵參數(shù)，但噪聲只是一方面考慮。噪聲必須相對于特定輸出功率進(jìn)行測量，因?yàn)樗璧腜A增益由收發(fā)器輸出功率決定。例如，如果收發(fā)器B的噪聲比收發(fā)器A低幾dB，但要求多幾dB的增益才能實(shí)現(xiàn)同樣的輸出功率，則收發(fā)器B的額外增益將導(dǎo)致系統(tǒng)噪聲更高。當(dāng)考慮絕對輻射限制時，如以下設(shè)計(jì)示例所述的情況，噪聲與增益的關(guān)系尤其重要。表2通過一個定量示例顯示了這一關(guān)系。

在設(shè)計(jì)過程中，發(fā)射噪聲與頻率偏移的關(guān)系圖會有幫助。法定雜散輻射限制轉(zhuǎn)換為dBm/MHz后，便可快速判斷一個收發(fā)器是否適合給定的應(yīng)用。圖2為一個多路輸入、單路輸出(MISO) WiMAX/WiBRO RF收發(fā)器在2500MHz載波頻率和10MHz信號帶寬下的關(guān)系圖。注意，頻率偏移為1MHz積分帶寬的中心頻率。因此，如果中心頻率為5.5MHz，則積分帶寬的邊緣頻率為5MHz。5MHz是10MHz帶寬目標(biāo)信號的信道邊緣。

圖2 發(fā)射噪聲與積分帶寬偏移的關(guān)系

雖然10MHz信道內(nèi)功率輸出為-3dBm，但信道內(nèi)輻射為-13dBm，如圖2所示，因?yàn)闇y量是在1MHz范圍積分的結(jié)果，而不是整個10MHz信道。在圖2中，頻段邊緣處的極陡滾降是由片內(nèi)插值數(shù)字濾波器引起的。將這些功能集成到收發(fā)器芯片中可以減輕BBP的負(fù)擔(dān)，BBP與收發(fā)器之間的數(shù)據(jù)速率因?yàn)?倍插值而減半。

法定限制
監(jiān)管機(jī)構(gòu)對特定頻段內(nèi)的最大輸出功率、最大帶外(OOB)輻射和最大信道外輻射均有限制，這些限制取決于應(yīng)用所在的國家/地區(qū)以及所用的頻段。本文僅關(guān)注2.4～2.7GHz范圍內(nèi)的FCC（美國聯(lián)邦通信委員會）限制。在美國，特許執(zhí)照WiMAX部署頻譜為2496～2690MHz，免執(zhí)照頻譜為2.4GHz ISM頻段（2400～2483.5MHz）。

FCC使用多種單位和方法來規(guī)定最大功率和OOB限制。下面各部分列出了針對WiMAX基站所用的多個頻率范圍的限制。如果限制用低于帶內(nèi)輸出功率的衰減幅度來表示，則帶內(nèi)功率和雜散輻射測量所用的積分帶寬必須相同。

特許執(zhí)照頻段
從2496～2690MHz，最大等效全向輻射功率(EIRP)頻段功率輸出為63dBm?；镜碾s散輻射在信道邊緣必須至少衰減43+10log(P)dB，其中，P為頻段功率輸出（單位W）。

2.4GHz免執(zhí)照頻段
在ISM頻段，限制更嚴(yán)格，但最大功率輸出也低得多。在2400～2483.5 MHz，點(diǎn)到多點(diǎn)(PTMP)基站的最大傳導(dǎo)功率輸出為+30dBm，最大EIRP為+36dBm。點(diǎn)到點(diǎn)(PTP)基站必須遵守相同的傳導(dǎo)功率限制，但最大理論EIRP無限制。對于PTP基站，6 dB以上的天線定向增益每增加3dB，EIRP必須降低1dB。信道外但仍在ISM頻段內(nèi)的雜散輻射必須衰減到低于目標(biāo)信號20 dB的水平。ISM頻段外的輻射必須衰減到低于頻段功率50 dB的水平，或者衰減到-41.25 dBm/MHz的水平，以衰減較小者為準(zhǔn)。此外，使用ISM頻段的運(yùn)營商還必須遵守下述關(guān)于限制頻段的限制。

限制頻段
FCC將某些頻段規(guī)定為“限制使用”頻段。這些頻段內(nèi)的輻射只能是雜散性的，對于ISM頻段的運(yùn)營商，該輻射始終必須等于或小于-41.25dBm/MHz的絕對限值。影響2.4GHz ISM頻段的限制頻段有兩個：2310～2390MHz和2483.5～2500MHz。與限制頻段相鄰的特許執(zhí)照頻段不必遵守這些限制。

設(shè)計(jì)示例
對于各種情況下的單芯片CPE收發(fā)器的定量評估，功率放大器(PA)被認(rèn)為是理想的增益級。實(shí)踐中，PA會增加噪聲和非線性效應(yīng)，但對于下面的各個示例，特別設(shè)計(jì)的PA可以確保完整發(fā)射路徑的性能符合要求。各示例均使用一個10 MHz帶寬內(nèi)最大輸出設(shè)置為-3.0 dBm的CPE收發(fā)器。

第一個示例是一個工作在ISM頻段的1W點(diǎn)到多點(diǎn)微蜂窩，發(fā)射帶寬為10MHz，中心頻率為2417 MHz。第一個要符合的法定限制是20 dB的信道外衰減，信道內(nèi)功率為-13 dBm/MHz，因此衰減限制為-33 dBm/MHz，如圖3的“20dB衰減限制”所示。

圖3 發(fā)射輻射與頻率偏移的關(guān)系以及法定限制

圖3包含來自圖2的ADI公司AD9354性能曲線，以便快速比較法定限制與收發(fā)器輻射。由于AD9354信道外能量遠(yuǎn)低于-33dBm/MHz限制線，因此該收發(fā)器滿足20dB衰減要求。

第二個限制是50dB或-41.25dBm/MHz的OOB衰減，以衰減較小者為準(zhǔn)。Pout=30dBm，因此50dB是較小的衰減。目標(biāo)信號帶寬中心與ISM邊緣的頻率范圍為17.5MHz(2417～2400MHz+500kHz)。從-13dBm/MHz的信道內(nèi)功率衰減50dB，得到-63dBm/MHz的限制，如圖3的“50dB衰減限制”所示。可以看出，AD9354的輻射遠(yuǎn)低于此限制。

最后，F(xiàn)CC要求2390 MHz限制頻段邊緣的雜散輻射衰減到-41.25dBm/MHz。頻率范圍為27.5MHz（2417～2390 MHz+500kHz）。由于這是一個絕對限值，因此需要考慮PA增益。為了將帶內(nèi)輸出功率從-3dBm提升到30dBm，需要33dB的增益。將該值折合到收發(fā)器輸出端，可以得到-74.25dBm/MHz的法定限制(-41.25dBm/MHz -33dB)，如圖3中“-74.25dBm/MHz”線所示。

采用特許執(zhí)照頻段的毫微微蜂窩
在所有類型的基站中，毫微微蜂窩對成本最敏感，因此單芯片收發(fā)器必須滿足這種應(yīng)用的要求。表1顯示，典型毫微微蜂窩基站可以提供高達(dá)20 dBm的帶內(nèi)輸出功率。在信道邊緣，雜散輻射需要降低33dB(43+ 10×log(0.1))。從-13dBm/MHz的信道內(nèi)功率衰減33dB，得到-46dBm/MHz的法定限制，如圖3的水平虛線所示。

采用特許執(zhí)照頻段的微微蜂窩
微微蜂窩涵蓋的最大輸出功率范圍非常廣，為20～30dBm。本例中，功率輸出設(shè)置為27dBm，信道邊緣所需的衰減為40dB(43+10×log(0.5))。從-13dBm/MHz的信道內(nèi)功率衰減-40dB，得到法定限制為-53dBm/MHz，如圖3中的-53dBm/MHz水平線所示。

采用特許執(zhí)照頻段的微蜂窩
微蜂窩一直是昂貴、大型分立式收發(fā)器設(shè)計(jì)的領(lǐng)地，它要求的增益和功率輸出顯著大于較小尺寸的蜂窩。表2所示的最高功率輸出2W(33dBm)要求衰減46dB(43+10×log(2))。按照與前兩例相同的邏輯進(jìn)行分析，從-13dBm/MHz的信道內(nèi)功率衰減46dB，得到-59dBm/MHz的法定限制。在圖3中，通過比較AD9354輻射曲線與-59dBm/MHz的水平虛線可以發(fā)現(xiàn)，該器件有足夠的裕量來滿足此要求。

WiMAX CPE收發(fā)器的發(fā)射性能已大大改進(jìn)，現(xiàn)已能夠滿足從微微蜂窩到微蜂窩的應(yīng)用要求。與分立設(shè)計(jì)相比，除了集成發(fā)射路徑所帶來的成本和空間節(jié)省以外，單芯片收發(fā)器還能提供兩個接收機(jī)，從而進(jìn)一步節(jié)約成本和空間。